Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

Для того чтобы подсчитать энергию связи ядра, можно воспользоваться уравнением Эйнштейна, определяющим взаимосвязь массы и энергии:

(энергия=масса×скорость света×скорость света).

Гению великого русского ученого М. В. Ломоносова принадлежит открытие одного из основных законов природы — закона сохранения веса веществ. По определению Ломоносова вес веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу веществ, получающихся в результате реакции. Однако в процессах, происходящих с веществом, масса может изменяться, но при этом изменяется и запас энергии вещества.

Если мы нагреем тело или, толкнув, заставим его двигаться, то, придавая телу движение, мы увеличим его массу. Наоборот, если тело передает энергию другому телу, то оно само потеряет некоторую массу и эту массу приобретет другое тело. С помощью уравнения взаимосвязи можно подсчитать величину изменения массы вещества при изменении его энергии и, наоборот, величину передаваемой телом внешней среде энергии при изменении массы вещества. Так, если 1 тонну воды нагреть от 0° до 100°, то масса воды вырастет на величину, эквивалентную 100 миллионам калорий, то есть на 0,004 миллиграмма. Изменение массы так мало, что определить его на опыте очень трудно.

Относительное изменение массы при ядерных реакциях велико, поэтому оно может быть определено на опыте. Так, при бомбардировке лития протонами происходит превращение его в гелий по уравнению:

Сумма масс ядра атома лития и протона составляет 8,02634, а масса двух ядер атомов гелия — 8,0078 атомных единиц массы; следовательно, масса продуктов реакции на 0,01854 атомных единиц массы, или 3,07∙10 -26грамма массы, меньше массы исходных ядер атомов лития и водорода. Такая масса эквивалентна 27 миллионным долям эрга [5] Эрг — единица энергии. 1 эрг равен 2,389∙10 -8 калорий . Этой энергией должны обладать ядра атомов гелия. Измерения показывают, что энергия каждого ядра гелия равна 13,6 миллионным долям эрга, а обоих ядер приблизительно 27 миллионным долям эрга, то есть равна энергии, вычисленной по уравнению взаимосвязи массы и энергии.

Смысл современного материалистического понимания закона сохранения материи состоит в том, что материя не может бесследно исчезнуть или возникнуть из ничего. Материя вечна. В различного рода процессах она меняет свою форму — из одного вида материи получается другой. Изменение массы материи связано с изменением запаса ее энергии.

Попытки буржуазных ученых использовать взаимосвязь массы и энергии для опровержения основ диалектического материализма — вечности материи — не состоятельны. Они лишь извращают смысл взаимосвязи массы и энергии. Энергия немыслима без материи и материя — без энергии.

Мы видели, что при образовании из ядра атома лития и протона двух ядер атомов гелия выделяется ядерная энергия, равная приблизительно 27 миллионным долям эрга.

Эта кинетическая энергия ядер атомов гелия при их торможении превращается в тепло. Так как 1 грамм лития содержит приблизительно 10 23атомов лития, то при его превращении в гелий под действием протонов выделяется 27∙10 17эргов, или 64 миллиарда калорий тепла.

Однако чтобы произошло образование из атома лития и протона двух атомов гелия, необходимо выстрелить в литий 10 миллионами протонов с энергией протона, равной 6 десятимиллионным долям эрга. Только один из 10 миллионов протонов попадет в цель — ядро атома лития — и вызовет ядерную реакцию, то есть придется затратить энергию в 220 тысяч раз бóльшую, чем та, которая выделяется при реакции. Аналогичные явления происходят и при многих других ядерных реакциях.

Представим себе, что происходит образование ядра атома гелия из двух протонов и двух нейтронов. Физики с большой точностью измерили массы протона и нейтрона: первая равна 1,0076, а вторая— 1,0089 атомных единиц массы. Масса ядра атома гелия, определенная как сумма масс двух протонов и двух нейтронов, должна быть равна 4,0330 атомных единиц массы. Однако на самом деле она равна 4,0023 атомных единиц массы, то есть ядро атома гелия на 0,0302 атомных единиц массы легче массы двух протонов и двух нейтронов, составляющих это ядро. Отсюда следует, что при образовании атома гелия из протонов и нейтронов произошло изменение массы и выделилась энергия. Для того чтобы атом гелия вновь превратить в два протона и два нейтрона, необходимо затратить энергию, которая эквивалентна 0,0302 атомной единице массы. Величину этой энергии — энергии связи, можно найти, воспользовавшись уравнением взаимосвязи массы и энергии. Она равна 4,5 стотысячной доли эрга. Легко подсчитать, что при образовании грамма гелия из протонов и нейтронов выделится энергия, эквивалентная 1,62∙10 11калориям тепла, или 190 000 киловатт-часов электроэнергии.

Подобная картина получается и при сравнении масс ядер атомов других элементов с суммой масс входящих в их состав протонов и нейтронов. Эта разность позволяет легко рассчитать энергию связи ядра.

В качестве единицы энергии в атомной физике принят электрон-вольт (эв) — кинетическая энергия, приобретенная электроном при прохождении им электрического поля с разностью потенциалов 1 вольт. Используются также более крупные единицы: 1 килоэлектрон-вольт (Кэв), равный 1000 эв, и 1 мегаэлектрон-вольт (Мэв), равный 1 000 000 эв [6] 1 Мэв равен 3,827∙10 -14 калорий. . В лабораторных условиях большая энергия заряженных частиц, необходимая для осуществления ядерных реакций, может быть получена в специальных установках, называемых ускорителями.

Оказывается, что полная энергия связи ядра тем больше, чем больше нуклонов в ядре. Энергия же связи, приходящаяся на один нуклон, изменяется неравномерно, что видно из приводимой ниже таблицы. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, больше всего у элементов, расположенных в середине периодической системы элементов Менделеева, таких, например, как криптон. У более тяжелых элементов она становится меньше. Она велика у гелия и мала у лития и дейтерия.

В то же время различна и масса, приходящаяся на нуклон в ядрах различных атомов. Она больше всего у дейтерия, велика у лития, значительна у урана и других тяжелых элементов. Меньше всего значение массы, приходящейся на 1 нуклон, у элементов середины периодической системы элементов Менделеева (атомные веса от 40 до 100).